Попов / Попов билеты / 32
.docx§ 11.5. ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОПЕРЕЧНЫМ ПОЛЕМ
Электромашинные усилители (ЭМУ) применяют в схемах автоматики для усиления управляющих сигналов, получаемых от различных датчиков, сельсинов, поворотных трансформаторов и других устройств.
Электромашинные усилители представляют собой специальные электрические генераторы постоянного или переменного тока, выходная мощность которых может изменяться в широких пределах путем изменения мощности управления. Отношение выходной мощности к мощности управления называют коэффициентом усиления по мощности.Современные ЭМУ имеют весьма большие коэффициенты усиления, необходимые для усиления сравнительно слабых управляющих сигналов.
Простейшим ЭМУ является обычный генератор постоянного тока с независимым возбуждением, у которого, как известно, мощность, подаваемая на обмотку возбуждения (управления), во много раз меньше мощности, получаемой на выходе от обмотки якоря. Усиление мощности в этой машине происходит за счет механической энергии, поступающей от приводного двигателя, что характерно для всех других ЭМУ. Однако в генераторах с независимым возбуждением нельзя получить большие коэффициенты усиления, необходимые для современных систем автоматического регулирования, поэтому разработан ряд специальных машин.
Существуют различные типы ЭМУ постоянного и переменного тока с различными принципами действия. Наиболее распространенным из них является ЭМУ постоянного тока с поперечным полем. Отечественная промышленность выпускает серию таких усилителей мощностью от нескольких сотен ватт до десятков киловатт.
Принцип действия. В схеме ЭМУ с поперечным полем (рис. 11.20) для простоты показана только одна обмотка управления У, хотя, как правило, таких обмоток несколько. Якорь ЭМУ приводится во вращение от постороннего (обычно асинхронного) двигателя и ничем не отличается от якоря обычной машины постоянного тока. На коллекторе устанавливается двойной комплект щеток: по поперечной q и продольной d осям. Щетки, установленные по поперечной оси, замыкаются накоротко, а к щеткам, расположенным по продольной оси, подключается сопротивление нагрузки RH.
Рис. 11.21. Схема первой (а) и второй (б) ступеней в ЭМУ с поперечным полем |
Рис. 11.20. Принципиальная схема включения ЭМУ с поперечным полем |
При подаче управляющего сигнала Uy на обмотку управления по ней проходит ток Iyкоторый создает небольшой продольный поток Фу (рис. 11.21, а). При вращении якоря этот поток индуцирует в обмотке якоря ЭДС, действующую между поперечными щетками:
(11.48)
Поскольку поперечные щетки замкнуты накоротко, по обмотке якоря будет проходить значительный ток:
Iq = Eq/ΣRa (11.49)
так как суммарное сопротивление короткозамкнутой поперечной цепи Rа мало. При прохождении тока Iq по обмотке якоря возникает поперечный поток Фаq, во много раз больший потока Фуобмотки управления. Поток Фа (рис. 11.21,б) индуцирует в обмотке якоря между продольными щетками ЭДС
Еd = сеФaqп, (11.50)
которая создает ток нагрузки
Id = Ed/(RH + ΣRa). (11.51)
Магнитодвижущая сила якоря Fad, создаваемая током Id, направлена встречно МДС обмотки управления Fу поэтому продольный поток якоря Φαd будет размагничивать машину. Для компенсации МДС Fad на статоре ЭМУ помещают компенсационную обмотку К, которую включают в цепь нагрузки; для точного регулирования МДС компенсационной обмотки FK параллельно ей присоединяют шунтирующий реостат Rш (см. рис. 11.20).
Из рассмотрения принципа действия ЭМУ с поперечным полем видно, что изменяя небольшой ток Iу в обмотке управления, можно управлять значительным током Id в цепи нагрузки.
Коэффициент усиления ЭМУ представляет собой отношение выходной мощности ко входной:
(11.52)
Электромашинный усилитель с поперечным полем можно рассматривать как генератор постоянного тока, состоящий из двух ступеней, включенных в каскад. В первой ступени магнитный поток создается обмоткой управления, а выходной обмоткой служит обмотка якоря, замкнутая накоротко проводником, включенным между поперечными щетками. Выходная мощность первой ступени Рвых1 является одновременно входной мощностью второй ступени Рвх2.
Учитывая, что Pвыx1 = PBx2 , коэффициент усиления
(11.53)
где ky1 = Рвых1/Рвх1—коэффициент усиления первой ступени; kу2 = Pвых2/РВХ2 — коэффициент усиления второй ступени,
Общий коэффициент усиления усилителя
(11.54)
где wa, wy — число витков обмотки соответственно якоря и управления; Ry и RH—сопротивления обмотки управления и нагрузки; RMd и RMq — магнитные сопротивления соответственно по продольной и поперечной осям машины.
Устройство. Обычно при мощности машины до нескольких киловатт ЭМУ и приводной асинхронный двигатель располагают в общем корпусе (рис. 11.22). Они имеют общий вал, на котором устанавливают пакет ротора приводного двигателя, якорь усилителя и его коллектор. При больших мощностях усилитель выполняют как самостоятельную машину и соединяют муфтой с приводным двигателем. Из (11.54) следует, что для получения большого коэффициента усиления необходимо увеличивать частоту вращения ЭМУ; при использовании приводного асинхронного двигателя она составляет ~ 3000 об/мин. Чтобы уменьшить магнитные сопротивления по продольной RMd и поперечной RMq осям, воздушный зазор между статором и ротором выполняют небольшим. При увеличении числа
Рис. 11.22. Устройство ЭМУ с поперечным полем:1, 8 — подшипниковые щиты;
2— коллектор усилителя; 3 — якорь усилителя; 4 — статор усилителя;
5 —обмотка статора усилителя; 6 — ротор двигателя; 7—статор двигателя
витков wa обмотки якоря коэффициент усиления возрастает; однако чем больше число витков в обмотке якоря, тем больше ее индуктивность, а следовательно, ниже быстродействие усилителя. Чтобы получить высокое быстродействие, магнитопровод машины выполняют целиком шихтованным. Это уменьшает вихревые токи, возникающие при резких изменениях тока управления, и способствует быстрому изменению магнитного потока в соответствии с изменением сигнала управления.
Наличие двойного комплекта щеток (по продольной и поперечной осям) заставляет принимать специальные меры для обеспечения безыскровой коммутации в ЭМУ. Чтобы обеспечить хорошую коммутацию под продольными щетками, главные полюсы делают «расщепленными» (рис. 11.23), т. е. каждый полюс разделяют на две части. Между ними располагают добавочные полюсы с соответствующими обмотками, которые и создают необходимое магнитное поле в зоне коммутации.
По поперечной оси машины добавочные полюсы не устанавливают, поэтому для обеспечения безыскровой коммутации под поперечными щетками в ЭМУ предусматривают специальную поперечную подмагничивающую обмотку. При наличии ее поперечный поток Фаqтребуемый для создания ЭДС Ed, получается не только от МДС якоря Faq, но и от МДС подмагничивающей обмотки Fn. Это позволяет уменьшить ток Iq и МДС Faq, что благоприятно сказывается на работе поперечных щеток. Магнитную систему машины выполняют обычно с неявновыраженными полюсами и с 2р = 2.
Обмотки управления размещают в больших пазах статора, расположенных по поперечной оси машины, и выполняют в виде нескольких (в данном случае — четырех) катушек, имеющих отдельные выводы. Компенсационную обмотку
Рис. 11.23. Схема расположения обмоток на статоре ЭМУ с поперечным полем:
1 — обмотка управления; 2 —части расщепленного главного полюса; 3 — компенсационная обмотка;
4 — коллекторная подмагничивающая обмотка; 5 — добавочный полюс; 6 — обмотка добавочного полюса
обычно выполняют распределенной и располагают в нескольких пазах. В пазах, расположенных по продольной оси машины, размещают обмотку дополнительных полюсов и поперечную подмагни-чивающую обмотку. Для уменьшения влияния явления намагничивания на работу ЭМУ вокруг спинки статора наматывают размагничивающую обмотку, питаемую переменным током (на рис. 11.25 она не показана). Поток этой обмотки замыкается в сердечнике статора, не проходя в якорь, и способствует уменьшению н. с. остаточного магнетизма, которая создает погрешности в характеристиках ЭМУ.
Характеристики. Электромашинный усилитель с поперечным полем выполняется с ненасыщенной магнитной системой, поэтому выходное напряжение Uвых этой машины пропорционально току управления Iу. Зависимость Uвых = f(Iу) при п = const и RH = constназывается регулировочной характеристикой (рис. 11.24, а). Внешние характеристики машиныUвых = f(Id) при Iу = const и п = const представляют собой прямые (рис. 11.24,б), угол наклона которых к оси абсцисс зависит от степени компенсации компенсационной обмотки МДС Fad. При недокомпенсации напряжение Uвых уменьшается с ростом тока нагрузки Id (прямая 1) из-за размагничивающего действия потока якоря Φαd. При перекомпенсации напряжение Uвых растет с увеличением тока Id (прямая 3); при такой характеристике работа ЭМУ неустойчива. При
Рис. 11.24. Регулировочная и внешняя характеристики ЭМУ с поперечным полем,
зависимости коэффициента усиления от тока нагрузки
точной компенсации МДС Fad напряжение Uвых с ростом тока Id падает незначительно лишь за счет падения напряжения в цепи якоря (прямая 2). Обычно ЭМУ выпускают с небольшой перекомпенсацией, при которой Fк/Fad=1.05; в этом случае внешняя характеристика располагается почти горизонтально.
Коэффициент усиления по мощности (11.54) обратно пропорционален сопротивлению нагрузки Rн, т. е. прямо пропорционален току Id. На рис. 11.24, в показаны зависимости ky = f(ld)при п = const и Iу = const при различной степени компенсации МДС Fad. Очевидно, чем больше ток нагрузки, тем больше и коэффициент усиления по мощности. При недокомпенсации (прямая1) коэффициент усиления меньше, чем при полной компенсации (прямая 2).